Feasibility of Copper Powder Fabrication by Ball Milling of Copper Chip Scrap Occurred During Cutting Process of Copper Pipe

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구리 管의 切斷 工程중 발생한 구리칩 스크랩의 볼밀링에 의한 구리 粉末 製造 可能性 ^†

洪 性 賢

韓國機械硏究院 附設 材料硏究所 粉末技術硏究그룹

Feasibility of Copper Powder Fabrication by Ball Milling of Copper Chip Scrap Occurred During Cutting Process of Copper Pipe ^†

Seong-Hyeon Hong

Powder Materials Technology Group, KIMS, Korea Institute of Machinery and Materials,

Changwon, Gyeongnam, 641-831, Republic of Korea,

요 약

구리관의 절단 공정에서 구리 칩 스크랩이 발생해왔다. 분쇄에 의하여 구리칩 스크랩을 분말화하는 가능성이 연구되었다. 본 연 구에서는 로드 밀링, 수평식 볼밀링과 같은 두 가지 타입의 분쇄 방식이 적용되었다. 구리 칩은 로드 밀링에 의하여 분말 형태로 분쇄될 수 없었다. 반면에 36시간 이상 수평식 볼밀링에 의하여 구리칩은 분말로 변화하였다. 수평식 볼밀링에 의한 구리 칩의 분 말로 재활용이 가능하였고 48시간 동안 밀링된 원료중 75 ~ 150 µm 범위의 분말은 25.3%이였다.

주제어 : 구리칩 스크랩, 재활용, 구리 분말, 로드 밀링, 수평식 볼밀링

Abstract

Copper chip scrape has been occurred by cutting of copper pipe. The feasibility of copper chip scrape into the copper powder by milling was studied. Two milling type such as rod milling and horizontal balling milling were applied in this research. Copper chip can not fragmented into powder by using rod milling. In contrast to rod milling, copper chip can be changed into powder by horizontal ball milling for above 36 hours. It was found that recycling of copper chip scraps into copper powder by horizontal ball milling is possible and powder fraction percent (75 ~ 150 µm) of milled copper chip for 48 hours is 25.3%.

Key words : copper chip scrap, recycling, copper powder, rod milling, horizontal ball milling

1. 서 론

구리는 황동색 색상 및 특유한 광택을 가진 금속으로 전성·연성·가공성이 뛰어날 뿐만 아니라 강도도 가 지고 있으므로 열 및 전기의 전도율은 은에 이어 2번째 로 큰 성질을 나타낸다. 이러한 특성 때문에 구리는 전 선, 케이블과 같은 전력 분야, 구리 배관과 같이 건설

및 건축 분야, 인쇄회로 기판 등에 광범위 하게 사용되 고 있다. 또한, 구리 합금은 오일레스 베어링, 전기 접 점, 리드 프레임 등에 널리 사용되고 있다. 최근, 환경 문제 및 재활용에 대한 관심이 높아 지면서 구리 자원 에 대한 조사, 재활용, 물질 흐름 등에 관한 연구가 체 계적으로 진행되고 있다.

한편, 냉장고, 에어컨과 같은 냉동 공조 시스템에는 냉매 가스의 흐름을 인도하는 구리관 부품 및 순수한 구리 관들을 절단하여 제조되는 토출관 등이 사용되고 있다. 특히, 토출관 제작시 연질 순수 동관(roll당 120-

†

2011 년 7월 20일 접수, 2011년 8월 23일 1차수정

2011 년 10월 27일 2차수정, 2011년 11월 21일 수리

E-mail: [email protected]

대부분 고철업자에게 판매되어 용해용 원료로 재활용되 고 있다. 이러한 동 칩의 크기는 수 mm이하이므로 용 해용으로 재활용되기 보다는 보다 부가가치가 높은 분 말로 재활용이 된다면 경제적인 효과를 볼 수 있을 것 이다.

본 저자가 알루미늄 호일 제작시 발생하는 호일 압연 스크랩을 볼밀링하는 공정을 연구한 사례가 있으나

구리칩을 밀링하여 분말화하는 연구 사례는 보고된 바 없다. 특히, 구리 분말은 철계 소결합금의 첨가제, 다아 야몬드 공구 원료, 마찰재료 원료, 전기장 차폐, 도전성 도료, 페인트 원료, 방전가공용 전극 등에 광범위하게 사용되고 있다.

본 실험에서는 산업 현장에서 구리관의 절단 중 발생 한 구리 칩 스크랩을 원료로 하여 수평식 볼 밀링과 로드 밀링법으로 분말을 제조하는 것에 관하여 주로 연 구하였다. 밀링방법으로 수평식 볼밀링, 로드 밀링과 같 이 양산화에 유리한 볼밀링법과 유성볼밀링, attrition 볼 밀링과 같이 실험실적으로 소량 밀링시 적합한 고에너 지 밀링법 등이 사용될 수 있다.

본 연구에서는 칩 스크랩 재활용시 양산에 유리한 로드 밀링과 수평식 볼 밀링법을 적용하였다.

한편, 자동차 부품용으로 많이 사용되는 철계 분말 소결 합금 제조시 소결성 및 강도를 증진시키기 위하여 철계 분 말에 구리 분말을 수 wt.% 첨가하는데 약 150 mesh이하 의 구리 분말이 주로 사용되고 있다

. 보다 저렴한 가격으로 구리 분말이 생산된다면 철계 소결합금 제조 시 원료비를 절약할 수 있다.

로드 밀링(rod milling)시 밀링자의 운동 거동 및 관 련 논문이 발표된 사례가 있으나

본 연구에서는 보 다 구체적으로 밀링자의 다양한 회전수에 따른 로드의 움직임을 직접 관찰하였으며 로드 밀링시 구리 칩의 밀 링 거동을 조사하였다. 또한, 수평식 볼밀링 시간에 따 른 구리 칩의 밀링 거동도 조사하였으며 얻어진 구리 분말의 특성을 조사하였다.

2. 실험 방법

2.1. 로드 밀링시 밀링자의 회전수에 따른 로드의 움 직임 관찰

플라스틱 통 밀링 자(내부 길이 178 mm × 내경

였다. 이때 한쪽 뚜껑을 열어서 로드의 움직임을 촬영 하였다.

2.2. 로드 밀링에 의한 구리 칩 스크랩 분말의 밀링 로드 밀링에 사용한 원료는 구리관의 자동 절단 공정 에서 발생된 구리 칩 스크랩으로 약간의 윤활유를 포함 하고 있다. 길이 178 mm, 내경 약 86 mm의 플라스틱 밀링 자내에 구리판을 안쪽에 감싸서 라이닝처리를 하 였다. 이러한 밀링자내에 윤활유가 함유된 구리 스크 랩 148 g, 구리 로드(길이 170 mm × 직경 10 mm) 25 개(전체 로드 무게는 2,950 g)와 함께 장입하고 헥산 750 cc 로 가득 채운 뒤 수평식 회전방식으로 로드 밀 링 하였다. 밀 용기 회전 속도는 134 rpm으로 일정히 하였고 최대 120시간까지 밀링을 하였다.

2.3. 볼 밀링에 의한 구리 칩의 밀링

윤활유가 함유된 구리 칩 스크랩 141 g을 내경 85.14 mm, 내부 길이 153.16 mm의 0.83 liter 내용적의 알루미나 자에 넣고 용적의 약 41.9%가 되게 초경 볼 을 2,846 g 넣었다. 수평식 회전 방식으로 밀 용기 회 전 속도는 임계 rpm 144의 90%인 130 rpm에서 6시 간에서 120시간까지 작업하였고 각 단계마다 약 6 g씩 시료를 회수하였다. 회수된 분말은 채질 시험을 최소 30 분 이상 실시하였다. 100 mesh, 200 mesh, 325 mesh 로 채질하여 +100 mesh, −100 + 200 mesh의 무게를 정량하였다. 또한, 수평식 볼밀링을 36시간, 48시간 및 60 시간동안 실시하여 −100 + 200 mesh의 분말을 주사전 자 현미경(JSM-5800)으로 미세구조를 관찰하였다. 또 한, 밀링된 구리 분말을 EDS 분석하여 밀링시 밀링 자와 볼에 의한 오염의 정도를 밀링 시간에 따라 측정 하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 로드 밀링시 로드 운동 거동 관찰

구리 로드만을 25개를 넣고 0 rpm에서 천천히 속도

를 높여가며 rpm(이론 rpm에 대한 상대%)이 변화됨에

따른 로드의 운동거동을 관찰하였다. 이론적 밀링자의 임

계 rpm은 423/[D

] (D: 내경 cm 단위)로 계산되며

144 rpm 이였다.

Fig. 1 과 Table 1은 로드 밀링시 밀링자의 회전 rpm 에 따른 로드의 움직임을 관찰한 사진 및 결과이다.

50 rpm(34.7%) 에서 대부분 sliding이 발생하고 일부 로 드는 dropping 현상을 나타내기도 했다. 88 ~ 158 rpm (61.1 ~ 109.8%) 까지는 대부분의 dropping 현상이 잘 일어나며, 134 rpm(93.06%)이 육안 관찰에 의한 최적의 dropping 거동을 보였다. 160 rpm(111%)의 속도에서는 dropping 이 활발히 일어나나 원심력으로 인한 회전운동 이 시작하려 하는 것이 관찰되었다. 180 rpm(125%)이 상은 원심회전으로 인해 분말을 분쇄시키는 충격이 없 으며, 240 rpm(167%)의 속도에서는 외부에서는 원심회 전이 일어나나 내부에서는 dropping이 발생하였다.

282 rpm(195%) 이후부터는 원심 회전만 일어났다.

한편, 수평식 볼밀링인 경우, 회전하는 밀링자 내에 볼은 중력과 원심력을 받으며 원심력과 중력이 같은 경 우, 이론적 밀링자의 임계 rpm은 423/[D

] (D: 내경 cm 단위)로 계산된다.

이러한 rpm 보다 매우 낮은 속도로 밀링자가 회전하면 볼은 중력이 커서 sliding운 동을 하며 밀링속도가 증가할수록 cascading, cataracting 과 같이 볼이 원심력에 의하여 밀링자의 상부근처까지 운동하다가 dropping이 된다. 임계 rpm보다 밀링자의 속도가 너무 크면 볼은 원심력에 의하여 원심운동을 하 며 낙하에 의한 충격에너지가 없으므로 분말을 분쇄할 수 가 없다.

본 로드 밀링시 밀링자의 rpm(이론 rpm에 대한 상대%) 에 따른 로드의 운동에서 88 ~ 158 rpm(61.1 ~ 109.8%) 에서 대부분의 로드의 dropping 현상이 잘 일어났으며 구리 칩을 장입하여 134 rpm(93.06%)에서 칩 밀링 실험

을 실시하였다.

3.2. 로드 밀링에 의한 분쇄 거동

Fig. 2 는 초기 구리 칩 원료 및 로드 밀링시간에 따 른 분쇄된 구리칩들의 외관들이다. 초기 칩 원료는 구 부러지고 말려있으며 길이는 최소 3 mm에서 최대 10 mm 넘게 까지 다양한 칩의 형태였다. 로드 밀링에 사용된 자동 톱 절단 칩은 말려진 형태를 나타내었으며 Fig. 1. Variations of behaviors of rods during rod milling with rpm of milling jar.

Table 1. Motions of rods during rod milling with rpm of milling jar

rpm

( 이론 rpm에 대한 상대 %) 로드의 움직임 28 rpm(19.4 %) 볼밀링과 같은 sliding이 없음 50 rpm(34.7 %) 대부분 sliding이며 일부 dropping 88 rpm(61.1 %) dropping 잘 일어남

108 rpm(75 %) dropping 잘 일어남 120 rpm(83.3 %) dropping 잘 일어남 134 rpm(93.06 %) dropping 잘 일어남 150 rpm(104.2 %) dropping 잘 일어남 158 rpm(109.8 %) dropping 활발히 떨어짐 160 rpm(111 %) dropping 잘 일어나나

약간 원심회전 시작하려 함 180 rpm(125 %) 상당히 원심회전 발생 240 rpm(167 %) 내부일부는 dropping,

상당히 원심회전 발생

282 rpm(195 %) 원심회전만 일어남

스크랩을 6시간과 12시간 동안 밀링한 분말은 거의 비 슷한 크기로 분쇄되었으며 작고 큰 칩 형상의 분말들이 관찰되었다. 24시간과 36시간 동안 밀링한 분말은 조대 한 칩 형상으로 1 ~ 3 mm 정도의 크기로 분쇄되었으 며, 48시간 밀링 분말은 얇은 구리 박판 형태 이였다.

밀링 시간이 120시간까지 증가시켜도 얇고 작은 판상 으로까지 분쇄되었으나 분말화는 불가능하였다.

로드밀과 볼밀은 회전시 메디아의 위치에 따라 마모 력과 충격력이 작용하게 된다. 용기의 아래 부위에서는 마모력이 작용하며 위쪽에서 아래로 떨어질 때는 충격 력이 주로 작용한다. 일반적으로 볼밀은 입자 크기와 관 계없이 메디아 사이에 위치하는 입자는 깨어지지만 로 드 밀링은 구조상 상대적으로 큰 입자가 먼저 분쇄되므 로 완충작용에 의하여 작은 입자가 분쇄될 기회가 상대 적으로 낮다. 이러한 운동의 차이가 분쇄 거동에 가장 큰 영향을 미치게 된다.

3.3. 볼밀링에 의한 분쇄 거동

Fig. 3 및 Table 2는 초기 구리 칩 원료 및 수평식 볼밀링 시간에 따른 분쇄된 구리 칩들의 외관들 및 채 질 결과이다. 초기 원료는 길이는 최소 3 mm에서 최대 10 mm 넘게 까지 다양한 칩의 형태 이였으나 6시간 동안 밀링 후 초기 형태가 그대로 유지되었으며 24시 간 밀링 분말은 얇은 1 ~ 3 mm 정도의 크기를 나타내 었다. 볼밀링을 36시간, 48시간 및 60시간 동안 분쇄된 분말에 대해 100 mesh(150 µm), 200 mesh(75 µm), 325 mesh(45 µm)채를 통과시켜 분말의 입도를 확인하였 다. 각각의 분말들 모두가 100 mesh는 통과하였으나 200 mesh 를 통과한 분말은 없으며, 이로 보아 75 µm 이하의 분말은 얻기가 어려운 것으로 판단된다.

36 시간 밀링 분말은 일부 분쇄되지 않은 칩 형태의 분말을 포함한 미세한 분말의 형태로 분쇄되기 시작하 는 형태를 나타내었다. 36시간 볼 밀링한 분말은 Fig. 2. Appearances of copper chips with rod milling time.

Fig. 3. Appearances of copper chips with ball milling time.

+100 mesh 82%, −100 + 200 mesh 18%의 입도분포를 나타내었다. 48시간 밀링한 분말의 형태는 작은 칩을 포함하고 있으나 채질 결과, +100 mesh 74.7%, −100 + 200 mesh 25.3% 의 입도분포를 나타내어 약 75 ~ 150 µm 사이의 크기를 보여주었다. 60시간 볼 밀링 한 분말에서 100 mesh 채를 통과하지 못한 시료의 %는 85.1% 이고 100 mesh 통과하고 200 mesh 통과 하지 못한 시료의 %는 14.9%이였다. 60시간 동안 밀링한 분말이 많이 200 mesh 체를 통과하지 못한 이유는 구 리의 연성 때문에 밀링시 응집되어 채를 통과하기가 난 해하기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 4 는 볼밀링을 36시간, 48시간 및 60시간 동안 실시하여 −100 + 200 mesh의 분말을 주사전자 현미경 으로 미세구조를 관찰하였다. JSM-5800으로 촬영하였 으며, 1000배 및 2000배의 조건으로 측정하였다. 36시 간 밀링된 구리 분말은 약 50 ~ 150 µm이 크기를 가지 는 것으로 판단되며 2000배의 고배율사진에서 보면 약 50 µm 정도의 크기를 지닌 분말속의 입자들도 관찰된 다. 48 시간 밀링된 구리 분말은 약 20 ~ 100 µm이 크

기를 가지는 것으로 판단되며 2000배의 고배율사진에 서 보면 약 20 ~ 40 µm 정도의 분말속의 입자들도 관 찰된다. 60시간 밀링된 구리 분말은 약 20 ~ 100 µm 이 크기를 가지는 것으로 판단되며 2000배의 고배율사 진에서 보면 분말속의 약 20 ~ 40 µm 정도의 입자들도 관찰된다. 이는 반복적인 볼에 의한 충격력으로 구리칩 의 밀링시 미소단조에 의하여 결정 입자들이 미세하게 분쇄되며 구리는 연성이 있어서 분리되지 못하고 미세 결정 입자들로 구성된 조대한 분말을 형성하고 있는 것 으로 판단된다. 본 실험에서 수평식 볼밀링에 의하여 볼 의 낙하에 의한 충격력으로 구리 칩들의 분말화가 가능 하다는 사실을 밝혔다는 의의가 크다. 철계 소결 합금 제조시 첨가제로 쓰이는 150 µm 이하의 구리 분말이 소결 합금 제조 업체에서 사용되므로 본 연구에서 제 조된 분말이 이러한 분야에 적용이 가능할 것으로 판 단된다.

Table 3 은 밀링 시간에 따라 얻어진 구리 분말들을 x200 에서 분말 전체를 EDS 분석한 결과이다. 밀링의 증가에 따라 미량 Al의 양이 다소 높아지는 것을 확인 Table 2. Sieving results of copper chips ball milled for 36, 48, and 60 hours

체(분말크기) 36 시간 볼밀링 48 시간 볼밀링 60 시간 볼밀링

+100 mesh(>150 µm) 82% 74.7% 85.1%

−100 + 200 mesh (75 ~ 150 µm) 18% 25.3% 14.9%

Fig. 4. SEM microstructures of ball milled powders (−100+200 mesh).

할 수 있다. 이는 밀링에 따라 알루미나 밀링자의 마모 에 의하여 분말에 일부 알루미나 성분이 혼입된 것을 의미한다. 한편, W는 초경 WC-Co계 볼에서 마모되어 들어가므로 일부 검출되는 것으로 판단된다.

4. 결 론

로드 밀링시 밀링자의 회전 속도(rpm)의 증가에 따라 로드의 거동은 sliding, cascading, centrifugal motion을 나타내었으며 구리 칩 스크랩을 로드 밀링한 결과, 구리 칩의 분쇄에 의한 분말 제조는 어려웠다. 수평식 볼 밀 링시 구리칩 스크랩이 보다 용이하게 분쇄되었으며 48 시간 동안 볼밀링시 75 ~ 150 µm 범위의 분말들을 얻을 수 있었으며 25.3%의 분말화 수율을 나타내었다.

감사의 글

본 연구는 산업자원부의 부품소재 종합기술지원사업 및 재료연구소 기본 연구사업에 의하여 지원되었습니다.

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Al Cu W

밀링시간

36 시간 0.14% 99.44% 0.42%

48 시간 0.27% 99.34% 0.39%

60 시간 0.30% 99.31% 0.40%

洪 性 賢

• 1984. 2 고려대학교 금속공학사

• 1987. 2. 한국과학기술원 재료공학석사

• 1991. 2. 한국과학기술원 재료공학박사

• 1990.12.-1997.2. 쌍용중앙연구소 선임연구원

• 1997. 3. 현재 한국기계연구원 부설 재료연구소 책임연구원